景喜瑞

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專題專訪

未來軸承智能制造的幾點思考

景喜瑞

北京發(fā)那科機電有限公司總經理景喜瑞先生

2016年9月19日，北京發(fā)那科總經理景喜瑞先生出席2016上海國際軸承峰會，針對“要實現智能制造，作為世界制造業(yè)大國的中國應該走什么樣的道路？”、“軸承行業(yè)作為制造業(yè)的基礎行業(yè)，未來又將會面臨怎樣的挑戰(zhàn)？”等峰會議題，景總做了深入的演講解讀，簡要分析了中、德、美三國制造業(yè)戰(zhàn)略的異同，并提出中國必須走出一條具有中國特色的上下融合之路，即《中國制造2025》中提出的“兩化深度融合”。

在全球一體化的壓力下，制造業(yè)在一段時期內將遭遇一些挑戰(zhàn)，主要包括：更短的產品生命周期、高度定制化的產品需求、以及來自全球不同市場的激烈競爭。在這種產品越來越復雜但產品生命周期日益受限的情況下，計算機輔助技術(CAx)在產能爬坡優(yōu)化和加速階段的重要性越來越高。更高的產品多樣性和更短的產品生命周期需要一種更靈活和柔性的生產結構，在這種結構下可快速根據新產品的需求重新配置生產方式。在當前傳統(tǒng)的自動化生產方式下肯定無法達到這樣的柔性程度。取而代之的是，作為物聯網(IoT)的一部分，由智能設備組成的模塊化工廠結構將是實現可調整生產場景并克服現有挑戰(zhàn)的關鍵因素。

軸承行業(yè)作為制造業(yè)的一個基礎行業(yè)，也會面臨一系列的挑戰(zhàn)。景總舉了兩個例子與大家共同分析探討。

1 高柔性大規(guī)模生產

現代軸承行業(yè)的制造生產，特別是中小型軸承的制造生產，其產品基本上具有少品種大批量的特點。因此，此類大批量軸承的生產線自動化程度很高，生產效率和設備利用率也很高。但只能加工生產線設計時對應的一種或幾種非常相似的產品。隨著如今產品的高速更新換代，客戶需求的不斷精細甚至定制，市場對多品種小批量軸承產品(10～1 000件/批次)的需求越來越多。面對這樣的情況，這種“剛性”或低柔性的生產線要么無能為力，要么調整成本過高。因此，提升生產線的柔性，并保持大規(guī)模生產一樣的低成本——即高柔性大規(guī)模生產是未來軸承智能制造的一個重要挑戰(zhàn)。

景總認為，要實現高柔性大規(guī)模生產，可以從如下幾個方面著手。

(1)CNC替換PLC。在軸承生產中使用了大量的磨削機床。因一些低柔性生產線中的磨床生產工藝比較單一，因此其控制系統(tǒng)并未使用專門用于機床控制的數控系統(tǒng)(CNC)，而是使用了可編程邏輯控制器(PLC)。PLC與CNC在機床控制方面一個重要的差異就是加工程序的編寫和修改方法。PLC只能通過編寫PLC程序的方式來編寫加工程序，而PLC程序的編寫和修改都需要在專門的PC軟件中完成，無法方便地在人機界面(HMI)中進行。每次編寫或修改后都需要經過專用軟件編譯，下載到PLC控制器中方能使用。而CNC作為專門的數控機床控制器，可以方便地在HMI中通過標準G代碼編寫和修改加工程序。因此，應用在機床上時生產柔性明顯高于PLC。

(2)增加機器人的應用。在當前少品種大批量軸承的生產線中，因為產品類型比較單一，所以產品在生產線的運輸以及在各個設備上的裝卸往往都是通過傳送帶、滾道或專用裝置完成的。很少引入機器人參與生產加工。因為在單一品種大批量生產的情況下，這種方式的效率較高，而將機器人引入的話，反而會降低整條生產線的效率。但是，這樣的生產線要么幾乎無法換型，要么一旦換型，所耗費的時間和人工精力也將是巨大的。而機器人天生就具有高柔性的特點，比如發(fā)那科的智能機器人，具有類似于眼睛的視覺傳感器和類似于觸覺的力傳感器，可以根據現場和工件的具體情況自主地完成所需工作。如果應用得當，則完全可以在滿足效率要求的前提下，大幅提高生產線的加工柔性。

雖然人是柔性最高的生產參與者，但是與機器相比人具有生產效率較低和自由散漫的特性。因此，如果只追求高柔性生產，當然由全人工組成的生產線最合適。但是，如果追求的是高柔性大規(guī)模生產，那么在生產操作部分減少生產效率較低、且可能帶來不可控因素的操作人員應該是更好的選擇。何況，中國的用工成本逐年遞增的趨勢愈來愈明顯。在市場競爭和波動加劇的今天，人員流動的風險和企業(yè)對用工需求調整的難度也越來越高。未來，以合理的成本雇傭合格的生產操作人員將越來越困難。因此，企業(yè)應未雨綢摸，為應對這些變化早做準備。

(3)發(fā)展通用工裝。目前在軸承生產線上使用得大多是根據產品類型制作的專用工裝，價格昂貴，用途單一，生產換型時也需要更換。當產品品種增加時，工裝的種類和數量也得相應增加。因此，發(fā)展通用乃至萬用工裝是提高生產柔性的必備條件。

(4)以物聯網為核心的智能工廠。正如德國工業(yè)4.0報告中描述的那樣，未來工廠中的產品、設備、資源和人將通過物聯網(CPS)有機地結合在一起，智能產品根據各自的工藝需求自主地在模塊化結構的工廠中移動，實現高柔性高效率的制造。當然，工業(yè)4.0的這個描述是制造業(yè)的一個長期目標，一個遠景，無法在短期內實現。企業(yè)可以先將比較容易接入物聯網的節(jié)點連接起來，將物聯網的架構搭建起來，再慢慢實現將產品等現階段不容易接入的節(jié)點連接到網絡中。

發(fā)那科在今年4月聯合思科、羅克韋爾和PFN公司共同發(fā)布的FIELD(Fanuc Intelligent Edge Link & Drive)系統(tǒng)就是一個專業(yè)的工業(yè)物聯網平臺。這個系統(tǒng)可以接入數控機床、機器人、PLC以及傳感器等眾多現場設備(不局限于發(fā)那科品牌)。在現在非常熱的“云計算”之外，FIELD系統(tǒng)更強調離用戶現場更近的“霧層”的應用。因為“云”服務通常都部署在遠離用戶現場的地方，甚至是其他國家。在應用時，如此長距離的大數據傳輸就有數據通訊和數據安全方面的風險。而且，很多時候對大數據的處理無需發(fā)送到“云端”。在離用戶現場更近的“霧層”通過合適的應用軟件就能完成數據的分析處理。另外，FIELD系統(tǒng)是一個開放的平臺，它就好比是智能手機的iOS或者安卓操作系統(tǒng)，允許第三方公司在其上開發(fā)應用軟件(APP)，滿足多種多樣的智能制造需求。比如，發(fā)那科的SCADA軟件Link-i和ZDT就可以視為FIELD系統(tǒng)上的APP。同時，FIELD系統(tǒng)還支持PFN公司開發(fā)的人工智能應用，將機器學習和深度學習應用到工廠的實際生產中。

2 更好的質量一致性

隨著我國軸承行業(yè)的發(fā)展，我國生產的軸承產品逐漸進入了國內外一些非常注重產品質量的用戶的采購范圍。不過這些客戶不僅重視產品的質量等級，更看重產品的質量一致性。比如美國通用汽車公司，如果產品能滿足其GMW14840和GMW16311軸承檢測標準，則意味著有很高的質量水平。不過，一旦有一件產品被通用汽車發(fā)現質量問題，則供應商就會面臨極大的換貨成本壓力。做一件高質量的產品不難，難的是高質量地生產每件產品。而未來，將有越來越多的客戶注重這方面的要求。

另外，軸承套圈和滾動體的精密磨削工藝是一個經過了多年應用、實驗和分析的，非常成熟的工藝過程。到目前為止，很多應用磨削工藝的公司都認為這一技術已經接近頂峰，幾乎沒有什么新的或重大的技術發(fā)展空間了。然而一臺典型的軸承磨床生產的套圈和滾動體的質量，會隨著砂輪的磨損而發(fā)生惡化。隨著砂輪的磨損，被磨削工件的表面質量的變化將會增加。對于軸承套圈和滾動體來說就意味著表面粗糙度、工件直徑和錐度的變化。而且，這些質量不一致的零件在裝配后又將導致更大的偏差。

可見，實現更好的產品質量一致性是軸承行業(yè)未來的一個挑戰(zhàn)。要克服這一挑戰(zhàn)，可以從如下幾個方面著手。

(1)改善磨削加工的一致性?，F在的數控系統(tǒng)已經具備智能機床控制的一些功能，可以通過在磨床上增加一些過程傳感器和測量設備，來獲取一些信息。比如聲發(fā)射、磨削功率和磨削力等。再將這些信息發(fā)送到數控系統(tǒng)控制器，以便持續(xù)評估每一個砂輪的過程狀態(tài)，并自動且及時地調整機床設定。當然，如何調整機床設定需要軸承企業(yè)總結多年的制造經驗。如果設置得當，即意味著每一個零件都有自己獨特的磨削參數，從而使每一個零件達到完全一致的表面質量。

(2)提高產品檢測的自動化程度。檢測是保證產品質量一致性的重要手段，而首先要實現的應該是對產品在生產過程中100%檢測。如果100%檢測對生產效率產生了影響，則應考慮改善檢測的方式，提高檢測的自動化程度。另外更為關鍵的是，不論是自動檢測還是人工檢測，都應盡早實現將檢測設備接入物聯

Some considerations of bearing intelligent manufacturing in the future

JING Xirui